(57)【要約】【課題】  本発明は、生体材料、工業材料、およびこれらの積層体、異種物質界面、微細粒子、異方性試料、超薄膜等の力学強度、密着性強度、表面性状等を評価するミクロトーム用応力測定方法およびミクロトーム用応力測定装置を提供することを目的とする。【解決手段】  本発明は、試料を垂直方向に切削する際に発生する垂直方向の切削力と、前記切削力に対して直角な水平方向の力とを応力変換手段によりそれぞれ検出し、試料の特性値である、たとえば、切削幅や設定厚さ等とともに、試料にかかる摩擦係数、せん断面上での平均垂直応力、および平均せん断力を演算により求めることができる。【選択図】  図１
2005265788.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体材料、工業材料、およびこれらの積層体、異種物質界面、微細粒子、異方性試料、超薄膜等の力学強度、密着性強度、表面性状等を評価するためのミクロトーム用応力測定方法において、
前記試料を垂直方向に切削する際に発生する垂直方向の切削力と、前記切削力に対して直角な水平方向の力とを応力変換手段により、それぞれ検出することによって、試料にかかる摩擦係数、せん断面上での平均垂直応力、および平均せん断力を測定することを特徴とするミクロトーム用応力測定方法。
【請求項２】
生体材料、工業材料、およびこれらの積層体、異種物質界面、微細粒子、異方性試料、超薄膜等の力学強度、密着性強度、表面性状等を評価するための試料にかかる応力を測定するミクロトーム用応力測定装置において、
前記試料を固定する固定手段と、
前記試料を上下させることにより、試料の切片を切削する固定切削刃と、
前記試料が垂直方向に切削される際の切削応力を検出する第１高感度力変換器と、
前記試料が切削される際の水平方向の応力を検出する第２高感度力変換器と、
前記試料の特性値を入力する入力手段と、
前記第１高感度力変換器および第２高感度力変換器によって検出された応力と、前記入力手段によって入力された前記特性値に基づいて試料にかかる摩擦係数、せん断面上での平均垂直応力、および平均せん断力を演算する演算手段と、
を少なくとも備えていることを特徴とするミクロトーム用応力測定装置。
【請求項３】
前記固定手段によって固定されている試料を切削する際の切削力は、前記第１高感度力変換器に吊り下げられた応力検出ブロックを介して第１高感度力変換器および第２高感度力変換器によって検出されることを特徴とする請求項２に記載されたミクロトーム用応力測定装置。
【請求項４】
前記第１高感度力変換器および第２高感度力変換器は、ホルダーによって固定されているとともに、前記ホルダーの空間部を介してそれぞれの先端部が前記応力検出ブロックに接触していることを特徴とする請求項２または請求項３に記載されたミクロトーム用応力測定装置。
【請求項５】
前記応力検出ブロックは、その中心に配置したプリロードネジによって第１高感度力変換器の端部に取り付けられていることを特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれか１項に記載されたミクロトーム用応力測定装置。
【請求項６】
前記第２高感度力変換器は、前記応力検出ブロックに水平方向のプリロード手段が設けられていることを特徴とする請求項２ないし請求項５のいずれか１項に記載されたミクロトーム用応力測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体材料、工業材料、およびこれらの積層体、異種物質界面、微細粒子、異方性試料、超薄膜等の力学強度、密着性強度、表面性状等を評価するための試料を切削する際の切削力と、当該切削力に垂直な応力を測定し、前記試料の特性値とともに、試料にかかる摩擦係数、せん断面上での平均垂直応力、および平均せん断力を求めることができるミクロトーム用応力測定方法およびミクロトーム用応力測定装置に関するものである。
【０００２】
本発明は、工業材料、たとえば、カラーフィルム写真、液晶、ポリーマー、フェノール樹脂、ナイロン（商標名）、ポリエチレン、プラスチックレンズ、塗膜、乳剤、アルミ箔、アルマイト箔、金箔、金属多層膜、半導体多層膜、メッキ箔、細線、超微粒子、触媒、蛍光体、コピー用トナー、炭素繊維、磁気テープ、磁気カード、定期券、フレキシブルディスク、光ディスク、プリペイドカード、人工腎臓、中空糸、骨、歯、毛髪、印刷用紙、ゴム製ガスケット、感光材料等、およびこれ等の積層体の力学強度、密着性強度等を評価するためのミクロトーム用応力測定方法およびミクロトーム用応力測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００３】
以下、ミクロトームの使用方法について説明する。従来、生体組織等の評価は、前記生体組織を摘出して決められた手法により樹脂部材で固めたものをミクロトームによって切削して薄切片とし、この薄切片を金属製の網からなるグリッド表面に載置し、電子顕微鏡で観察することにより行われていた。
【０００４】
前記ミクロトームは、試料を固定した部分が上下に移動し、固定されたナイフによって薄切片として切削される。また、試料を固定した部分は、所定位置に調整するための動き、および上下動できるようになっている。そして、オペレータは、電子顕微鏡によって試料を覗き込みながら、位置関係を設定した後、自動的または手動により試料を切削する。
【０００５】
特に、生体組織と異種物質、たとえば、ステンレス鋼、コバルト−クロム合金、純チタンおよびチタン合金、ナイロン（商標名）やポリエステル等のプラスチック部材、天然コラーゲンと合成高分子の複合体、アパタイト（商標名）との界面密着性を評価する必要がある。
【０００６】
前記材料は、たとえば、３ｍｍ×２ｍｍ×０．５ｍｍの板状で、その表面に刻みを付けて、家兎または犬の大腿部筋肉組織または大臀筋中に埋め込まれる。前記材料は、埋め込まれて４週間後、１２週間後、あるいは２４週間後に家兎または犬から摘出される。
【０００７】
前記摘出された摘出材料は、材料と組織との界面密着性を評価するために、予め決められた方法で樹脂によって固められる。前記樹脂によって固められた摘出材料は、試料として、ミクロトームによって薄切片として切削され、電子顕微鏡によって観察し易いように金属製の網からなるグリッドの表面に載置される。
【０００８】
前記工業材料の場合、同様に、材料の断面、および積層体の界面状態が判るように切削された試料を観察することによって、力学強度を評価することができる。工業材料、たとえば、金−アルミニウム−銅をポリエステル基板上に接着した場合の剥離強度、各材料間の界面強度等を評価する必要がある。
【０００９】
前記切削された薄切片からなる試料は、力学適合性を評価するために、材料劣化試験、腐食疲労試験、耐摩耗性試験等を行う。前記材料劣化試験は、生体材料として用いられている金属材料あるいは金属イオンが長時間の使用で表面から溶出し、その機能が低下したり、あるいは長期間使用中でのインプラントの溶出挙動（耐食性）を電気化学的に評価する。
【００１０】
前記腐食疲労試験は、人工骨・人工関節に使用されるインプラントが腐食とともに、繰り返し応力が作用するため、長期間の使用中に疲労破壊する「生体内環境」を再現した条件で評価する。
【００１１】
生体材料は、接近している骨などの身体組織との間で摩擦が生じる。複数の材料で構成されたデバイスであれば、材料間での摩擦摩耗が生じる。耐摩耗性試験（摩擦摩耗）は、前記生体材料およびデバイスを切削した薄切片からなる試料を用いて評価を行う。
【００１２】
生体適合性は、細胞適合性評価と組織適合性とがあり、生体材料から溶出する金属イオンや摩耗粉の生体に対する適合性を細胞を用いて評価する。また、生体適合性は、生体材料の劣化と生体への影響の因果関係が細胞レベルで推定できれば、細胞による試験結果より、動物実験の結果、臨床結果の類推が可能となり、試験期間の短縮・試験結果の再現性の高さにつながる。
【００１３】
生体材料は、擬似体液中での微量物質分析を行う必要がある。生体材料は、長期間の使用で劣化、腐食し、微量物質の溶出が起こる。前記微量物質は、長期間の溶出により、人体へ影響するので、生体内環境液中の微量物質の定量法を確立する必要がある。
【００１４】
また、前記生体材料の生体適合性を評価する方法において、前記薄切片からなる試料は、薄切片に切削される際の切削エネルギー、応力等の力学特性が知りたいという要望がある。この要望は、人工生体材料の力学特性、あるいは生体組織と埋設された異種物質との界面の密着性等を定量的に評価する必要があるからである。前記異種物質としては、骨と金属、あるいは筋肉と高分子材料等がある。
【００１５】
次に、従来のミクロトーム用応力測定装置（特許第２９８６１５７号公報）を説明する。図８は従来のミクロトーム用応力測定装置の断面図である。図８において、応力測定部７１は、たとえば、生体に埋め込まれた生体材料、工業材料、あるいはこれら材料からなる積層体の力学的特性を評価するための薄切片試料を作製するための試料Ｓを切削する際に、切削時における応力を正確に測定する部分である。
【００１６】
前記応力測定部７１は、図示されていない取付基台と、応力伝達部材用ホルダー７２と、Ｌ字型応力伝達部材７４と、高感度力変換器８０とを主な構成要素としている。
【００１７】
前記ミクロトームに取り付けられた取付基台は、前記試料Ｓを所定位置に設定できるような移動、および前記試料Ｓを上下方向に移動して切削または力を与えることができるような構成になっている。前記取付基台には、応力伝達部材用ホルダー７２が取付ネジ７３によって着脱自在に取り付けられている。
【００１８】
前記応力伝達部材用ホルダー７２は、Ｌ字型応力伝達部材７４が図示されていないネジによって横振れしないように固定されている。前記Ｌ字型応力伝達部材７４は、前記ネジによって横振れしないように固定されているため、試料Ｓにかかる応力を高感度力変換器８０に伝達させることができる。
【００１９】
前記Ｌ字型応力伝達部材７４は、垂直部７４′に試料押さえネジ７５１が上下方向に移動できるようにして、前記試料Ｓを堅固に固定することができる。前記試料押さえネジ７５１は、その下部に試料押さえ板７５が設けられている。試料押さえ板７５と対向する位置には、下部試料載置台７６が設けられている。
【００２０】
前記試料押さえネジ７５１は、試料押さえネジ取付板７５２によって、Ｌ字型応力伝達部材７４の垂直部７４′に取り付けられる。試料Ｓは、前記試料押さえ板７５を下げることによって、下部試料載置台７６との間に挟持される。また、前記Ｌ字型応力伝達部材７４は、その下部中心部に応力調整部材７８を支持する支持部材７８１がある。
【００２１】
前記応力調整部材７８は、支持部材７８１を介して、応力調整ネジ７９によって応力を調整できるようになっている。前記応力調整部材７８の上部には、変換器ホルダー７７によって支持されている高感度力変換器８０が設けられている。
【００２２】
前記Ｌ字型応力伝達部材７４は、試料押さえネジ７５１が挿入されている垂直部７４′と、前記変換器ホルダー７７の側面とに、間隙７４１が設けられ、試料Ｓにかかる応力を高感度力変換器８０に正確に伝達させるような構造になっている。
【００２３】
また、前記Ｌ字型応力伝達部材７４の端部７４″と、前記応力伝達部材用ホルダー７２との間には、間隙７２１が設けられている。これらの間隙７２１、７４１は、１ｍｍ以下のものであり、前記Ｌ字型応力伝達部材７４が試料Ｓの応力を伝達し易くしている。前記応力は、データとして蓄積されて、試料Ｓを試料とする際に、不所望の力が加わって、不適性な試料であるか否かの判断ができる。
【００２４】
前記Ｌ字型応力伝達部材７４は、Ｌ字型の梃となるため、試料Ｓにかかる応力が試料押さえ板７５、試料押さえネジ７５１等で吸収されることがなく、高感度力変換器８０に伝達される。また、前記Ｌ字型応力伝達部材７４は、その垂直部７４′において、試料押さえネジ７５１が前記試料Ｓを上方向から下方向に押さえるため、試料Ｓが切削または力が加えられた際の応力が上方に吸収されずに、高感度力変換器８０に正確に伝達される。
【００２５】
応力測定部７１が取り付けられている基台（図示されていない）から別れて固定されるように取り付けられているナイフ８１は、試料Ｓの先端部が上下動することによって、薄切片８２として切削できる。前記切削される際の応力は、前記試料押さえ板７５、前記Ｌ字型応力伝達部材７４、前記応力調整部材７８を介して高感度力変換器８０に伝達される。
【００２６】
また、前記切断された薄切片８２は、前記ナイフ８１に成形されている水溜め部８３に溜められている水の上面に浮かぶ。水面に浮かんだ薄切片８２は、金属製の網からなるグリッド（図示されていない）の表面に載置され、電子顕微鏡によって、観察し易い試料となる。
【００２７】
図７は純アルミニウムを切削した際の切削力と切削中のプロファイルを説明するための図である。図７において、前記ミクロトーム用応力測定装置は、純アルミニウムを切削するに際し、切削刃が当たった瞬間から切削が終了するまで、切削力ＦＣが検出されている。
【００２８】
前記ミクロトーム用応力測定装置は、特開２００１−３２４４２３号公報、特開２００３−３２２６００号公報、特開２００３−３２２６０１号公報に詳細に記載されている。
【特許文献１】特開２００１−３２４４２３号公報
【特許文献２】特開２００３−３２２６００号公報
【特許文献３】特開２００３−３２２６０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２９】
前記従来のミクロトーム用応力測定装置によって測定された切削力は、その材料の機械的特性が必ずしも反映されていない。本出願人の研究の結果、切削力は、材料の硬さの指標であるビッカース硬度と必ずしも相関関係にないことが判ってきた。
【００３０】
特に、冷間加工や熱処理が施された材料は、切削力と相関関係にないことが判った。そこで、本出願人は、切削力が材料のせん断力と剥離力から構成されていると考えた結果、せん断力が材料の硬さに依存することなく、材料に固有の値を示し、材料の剛性率と良い相関関係があることを見出した。
【００３１】
本発明は、前記欠点を解決するためのものであり、切削力および当該切削力に対する垂直方向の応力と、切削片の切削幅および設定厚さ等から、せん断面上での平均垂直応力、および平均せん断力を求めることができるミクロトーム用応力測定方法およびミクロトーム用応力測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３２】
（第１発明）
第１発明のミクロトーム用応力測定方法は、生体材料、工業材料、およびこれらの積層体、異種物質界面、微細粒子、異方性試料、超薄膜等の力学強度、密着性強度、表面性状等を評価するためのものであり、前記試料を垂直方向に切削する際に発生する垂直方向の切削力と、前記切削力に対して直角な水平方向の力とを応力変換手段により、それぞれ検出することによって、試料にかかる摩擦係数、せん断面上での平均垂直応力、および平均せん断力を測定することを特徴とする。
【００３３】
（第２発明）
第２発明のミクロトーム用応力測定装置は、生体材料、工業材料、およびこれらの積層体、異種物質界面、微細粒子、異方性試料、超薄膜等の力学強度、密着性強度、表面性状等を評価するための試料にかかる応力を測定するものであり、前記試料を固定する固定手段と、前記試料を上下させることにより、試料の切片を切削する固定切削刃と、前記試料が垂直方向に切削される際の切削応力を検出する第１高感度力変換器と、前記試料が切削される際の水平方向の応力を検出する第２高感度力変換器と、前記試料の特性値を入力する入力手段と、前記第１および第２高感度力変換器によって検出された応力と、前記入力手段によって入力された前記特性値に基づいて試料にかかる摩擦係数、せん断面上での平均垂直応力、および平均せん断力を演算する演算手段と、を少なくとも備えていることを特徴とする。
【００３４】
（第３発明）
第３発明のミクロトーム用応力測定装置は、第２発明において、固定手段によって固定されている試料を切削する際の切削力が前記第１高感度力変換器に吊り下げられた応力検出ブロックを介して第１高感度力変換器および第２高感度力変換器によって検出されることを特徴とする。
【００３５】
（第４発明）
第４発明のミクロトーム用応力測定装置は、第２発明において、第１高感度力変換器および第２高感度力変換器がホルダーによって固定されているとともに、前記ホルダーの空間部を介してそれぞれの先端部が前記応力検出ブロックに接触していることを特徴とする。
【００３６】
（第５発明）
第５発明のミクロトーム用応力測定装置は、第２発明において、応力検出ブロックがその中心に配置したプリロードネジによって第１高感度力変換器の端部に取り付けられていることを特徴とする。
【００３７】
（第６発明）
第６発明のミクロトーム用応力測定装置は、第２発明において、第２高感度力変換器が前記応力検出ブロックに水平方向のプリロード手段が設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３８】
本発明によれば、ミクロトーム用応力測定装置における切削力を垂直方向の高感度力変換器と水平方向の高感度力変換器によって検出し、試料における切削幅および設定厚さ等を基にして、せん断面上での平均垂直応力および平均せん断応力を求めることができ、材料の硬さに依存しない、材料固有の特性を見つけることができる。
【００３９】
本発明によれば、ミクロトーム用応力測定装置における切削力が伝達する応力検出ブロックおよび垂直方向の高感度力変換器と水平方向の高感度力変換器を固定するホルダーの形状や固定方法を工夫することにより、前記垂直方向の高感度力変換器と水平方向の高感度力変換器が正しい応力を測定でき、前記せん断面上での平均垂直応力および平均せん断応力をより正確に求めることができるため、材料の硬さに依存しない、材料固有の特性を見つけることができる。
【００４０】
本発明によれば、切削力Ｆｃと、前記切削力Ｆｃに垂直な力Ｆｔの測定方法が確立されることにより、切削力に対する切削条件（たとえば、切削速度、ナイフと試料間の摩擦力、ナイフの刃先角等）の影響を解明することができるようになった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
（第１発明）
第１発明のミクロトーム用応力測定方法は、生体材料、工業材料、およびこれらの積層体、異種物質界面、微細粒子、異方性試料、超薄膜等の力学強度、密着性強度、表面性状等を評価するためのもので、切削力および切削力に垂直な方向の力を測定することにより、試料にかかる摩擦係数、せん断面上での平均垂直応力、および平均せん断力を求めることができるものである。
【００４２】
第１発明のミクロトーム用応力測定方法は、前記試料を垂直方向に切削する際に発生する垂直方向の切削力と、前記切削力に対して直角な水平方向の力とを応力変換手段によりそれぞれ検出し、試料の特性値である、たとえば、切削幅や設定厚さ等とともに、試料にかかる摩擦係数、せん断面上での平均垂直応力、および平均せん断力を演算により求めることができる。
【００４３】
第１発明のミクロトーム用応力測定方法は、切削力とせん断力とがあまり良い相関関係を持たない金属、たとえば、冷間加工や熱処理により硬さを変化させた金属であっても、せん断力により、材料の特性を評価することができる。
【００４４】
（第２発明）
第２発明のミクロトーム用応力測定装置は、試料固定手段と、固定切削刃と、垂直方向および水平方向の切削力を検出する高感度力変換器と、試料の特性を入力する入力手段と、前記高感度力変換器によって検出した値と入力手段による値とから試料にかかる摩擦係数、せん断面上での平均垂直応力、および平均せん断力を演算する演算手段とから構成されている。
【００４５】
第２発明のミクロトーム用応力測定装置は、前記試料にかかる摩擦係数、せん断面上での平均垂直応力、および平均せん断力を求めることができるため、生体材料、工業材料、およびこれらの積層体、異種物質界面、微細粒子、異方性試料、超薄膜等の力学強度、密着性強度、表面性状等を評価することができる。前記演算手段による具体的な演算方法は、後述の実施例により詳述する。
【００４６】
前記試料を固定する固定手段は、前記試料を上下させることができ、固定された切削刃に当たることにより試料の切片が切削される。第１高感度力変換器は、前記試料が下方に降りて来て、固定刃に当たる際の切削力を検出する。第２高感度力変換器は、前記切削力が発生した際の水平方向の力を検出する。
【００４７】
入力手段は、前記試料の切削幅や設定厚さ等の特性値が入力される。演算手段は、前記第１および第２高感度力変換器によって検出された力と、前記入力手段によって入力された前記特性値に基づいて、後述の式から、試料にかかる摩擦係数、せん断面上での平均垂直応力、および平均せん断力を演算する。
【００４８】
（第３発明）
第３発明のミクロトーム用応力測定装置は、固定手段によって固定されている試料を切削する際の切削力が第１高感度力変換器および第２高感度力変換器に伝達されるように、前記第１高感度力変換器に吊り下げられた応力検出ブロックを介して検出される。前記応力検出ブロックは、空間に吊り下げられた状態で、第１高感度力変換器および第２高感度力変換器の端部に接触しているため、前記切削力が忠実に検出される。
【００４９】
（第４発明）
第４発明のミクロトーム用応力測定装置は、第１高感度力変換器および第２高感度力変換器がホルダー、たとえば、逆Ｌ字型や断面コ字型によって固定されている。また、前記第１高感度力変換器および第２高感度力変換器は、前記ホルダーの空間部を介してそれぞれの先端部が前記応力検出ブロックに接触している。第４発明は、高感度力変換器の端部と応力検出ブロックのみを空隙部において、接触させることで、微妙な力の変換を正確に検出することができる。
【００５０】
（第５発明）
第５発明のミクロトーム用応力測定装置は、応力検出ブロックがその中心に配置したプリロードネジによって第１高感度力変換器の端部に取り付けられている。前記プリロードネジは、前記第１高感度力変換器に対して力を加える方向または引っ張る方向に加えることにより、切削力の感度を向上させることができる。前記プリロードを加える方向は、高感度力変換器の出力がプラスになるかマイナスになるかであり、演算手段によって都合のよい方向に変えることができる。
【００５１】
（第６発明）
第６発明の高感度力変換器は、第２高感度力変換器の水平方向にプリロードをかけて、感度を向上させるものである。すなわち、前記水平方向のプリロードは、前記第２高感度力変換器が前記応力検出ブロックに接触する圧力を、たとえば、ナットを回転させることによりプラスまたはマイナス方向に加えることで、感度を上げている。
【実施例１】
【００５２】
図１は本発明のミクロトーム用応力測定装置における原理を説明するための図である。図１において、応力測定部は、たとえば、方形からなる応力検出ブロック１１と、逆Ｌ字型ホルダー１２とから構成されている。前記応力検出ブロック１１は、前記逆Ｌ字型ホルダー１２の空隙部１２３に配置されている。
【００５３】
応力検出ブロック１１は、中心部にネジ孔１１１が設けられ、プリロードネジ１５がネジ込まれるとともに、先端部のネジが垂直方向高感度力変換器１３の端部に設けられたネジ孔１３３にもネジ込まれることで、吊り下げ状態で取り付けられる。また、前記プリロードネジ１５は、前記垂直方向高感度力変換器１３にネジ込む力によって垂直方向の感度を上げることができる。
【００５４】
前記応力検出ブロック１１は、図１に示す左方向の中心に試料１６を固定手段１６１によって固定する。前記試料１６は、図示されていない手段により上下方向に往復運動ができ、固定されたナイフ１７によって薄片となるように切削される。
【００５５】
また、前記逆Ｌ字型ホルダー１２は、水平部に垂直方向高感度力変換器１３が、垂直部に水平方向高感度力変換器１４がそれぞれフランジ１３１、１４１によって堅固に固定される。前記逆Ｌ字型ホルダー１２には、垂直方向ネジ孔１２１および水平方向ネジ孔１２２が、また、垂直方向高感度力変換器１３には、ネジ１３２が、水平方向高感度力変換器１４には、ネジ１４２がそれぞれ設けられている。
【００５６】
前記垂直方向高感度力変換器１３および水平方向高感度力変換器１４は、前記垂直方向ネジ孔１２１および水平方向ネジ孔１２２にネジ込まれるとともに、それぞれのフランジ１３１、１４１によって堅固に固定される。
【００５７】
前記垂直方向高感度力変換器１３は、その先端部が前記応力検出ブロック１１の上中心面１１２に当接される。また、前記水平高感度力変換器１４は、その先端部が前記応力検出ブロック１１の横中心面１１３に当接される。
【００５８】
図２は本発明のミクロトーム用応力測定装置における切削機構を説明するための図である。図２において、すくい角：α、せん断角：Φ、刃先角：θ、逃げ角：γ、設定厚さ：ｔ1 、切片幅：ｂとして、
【数１】
2005265788.tif 000003
によって、摩擦係数：μ、せん断面上での平均垂直応力：σs 、平均せん断応力：τs が求められる。
【００５９】
すなわち、本発明は、切削力Ｆｃと、前記切削力Ｆｃに垂直な力Ｆｔ（図２参照）の測定方法が確立されることにより、切削力に対する切削条件（たとえば、切削速度、ナイフと試料間の摩擦力、ナイフの刃先角等）の影響を解明することができる。また、本発明は、ミクロトームにおける切削のメカニズムを確立し、材料におけるせん断応力を測定することが可能になった。
【実施例２】
【００６０】
図３は本発明の一実施例で、ミクロトーム用応力測定装置の構造を説明するための図である。図４は図３におけるミクロトーム用応力測定装置の側面図である。図３および図４において、ミクロトーム用応力測定装置は、垂直方向高感度力変換器組立体２１と、水平方向高感度力変換器組立体２２と、応力伝達組立体２３と、試料を取り付ける試料取付組立体２４、ホルダー２５とから構成されている。
【００６１】
前記垂直方向高感度力変換器組立体２１は、ホルダー２５における垂直筒状部２５１内に垂直方向高感度力変換器１３が取り付けられているとともに、水平筒状部２５２内に水平方向高感度力変換器１４が、たとえば、ネジ等により取り付けられている。
【００６２】
前記水平方向高感度力変換器組立体２２は、水平方向高感度力変換器１４を保持する水平筒状部２５２に挿入され、ネジ込まれた後、ナット２６を回転させることにより、前記水平方向高感度力変換器１４の先端部が後述する応力検出ブロック２３１に当接する。前記水平方向高感度力変換器１４の応力検出ブロック２３１に対する接触圧は、前記ナット２６の回転により、調整ができるとともに、プリロードとして、水平方向の検出感度を向上させることができる。
【００６３】
前記応力伝達組立体２３は、応力検出ブロック２３１と、当該応力検出ブロック２３１を垂直方向高感度力変換器１３に吊り下げるプリロードネジ２３２とから構成されている。前記プリロードネジ２３２は、応力検出ブロック２３１のネジ孔にネジ込むことにより前記垂直方向高感度力変換器１３の端部にプリロードをかけ、垂直方向の検出感度を向上させることができる。
【００６４】
また、前記試料取付組立体２４は、試料１６を正しい位置に取り付けるために角度を変えることができる回転機構２４１と、試料１６を固定する固定手段２４２とから構成される。
【００６５】
前記試料１６は、図示されていない機構により降下し、図示されていないナイフの刃先に当接する。前記刃先が当接する際に生じる切削力は、力点３１、図示されていない部分の支点３２、応力検出ブロック２３１の中心部が作用点３３となって、垂直方向高感度力変換器１３に伝達され、図２に示すＦｃとして検出される。
【００６６】
同様に、図２に示すＦｔは、水平方向高感度力変換器１４によって検出される。前記ＦｃおよびＦｔと、図２におけるΦ、α、切削幅：ｂ、設定厚さ：ｔ1 を前記［数１］に代入して、演算することで、摩擦係数μ、せん断面上での、平均垂直応力：σs 、平均せん断応力：τs が求められる。
【００６７】
図５は本発明の実施例で、ミクロトームにおける試料判定装置によりせん断力を演算するためのブロック構成図である。図５において、ミクロトーム用応力測定装置は、試料１６の垂直方向の移動量を検出する垂直方向移動量検知手段５１１と、試料１６にかかる切削力を検出する垂直方向高感度力変換器５１２と、前記垂直方向移動量検知手段５１１および垂直方向高感度力変換器５１２の出力をディジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換手段５１３と、前記Ａ／Ｄ変換手段５１３によって変換されたディジタルデータを一時記憶する垂直方向第１記憶手段５１４と、予め判っている基準量を入力する垂直方向基準値入力・取込手段５１５と、前記垂直方向基準値入力・取込手段５１５によって入力された情報をディジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換手段５１６と、前記Ａ／Ｄ変換手段５１６によって得られたディジタルデータを一時記憶する垂直方向第２記憶手段５１７と、前記垂直方向第１記憶手段５１４に記憶されているディジタルデータと、垂直方向第２記憶手段５１７に記憶されているディジタルデータとを比較する第１比較手段５１８と、前記第１比較手段５１８の比較結果である図２に示すＦｃがある一定の範囲内にあるかどうかを判定する第１判定手段５１９と、同様に水平方向に対する水平方向高感度力変換器５２１、Ａ／Ｄ変換手段５２２、水平方向第１記憶手段５２３、水平方向基準値入力・取込手段５２４、Ａ／Ｄ変換手段５２５、水平方向第２記憶手段５２６と、前記水平方向第１記憶手段５２３および水平方向第２記憶手段５２６に記憶されたディジタルデータを比較する第２比較手段５２７と、前記第２比較手段５２７の比較結果である図２に示すＦｔがある一定の範囲内にあるかどうかを判定する第２判定手段５２８と、図２に示す既知の値であるα、Φ、γ、ｂ、ｔ1 を入力する入力手段５３１と、前記ミクロトーム用応力測定装置によって検出されたＦｃおよびＦｔと前記入力手段５３１の各値から摩擦係数μ、せん断面上での平均せん断応力σs 、平均せん断力τs に基づいて演算する演算手段５３２と、前記摩擦係数μ、せん断面上での平均せん断応力σs 、平均せん断力τs を出力する出力手段５３３とから構成される。
【００６８】
前記試料１６が切削される際に発生する刃の位置情報、あるいは、力学的特性等に関する情報は、応力の時間的変化を電気信号として検知する前記垂直方向移動量検知手段５１１によって検知した後、必要に応じて増幅手段を介して、Ａ／Ｄ変換手段５１３によってディジタルデータとして、垂直方向第１記憶手段５１４に一時格納される。
【００６９】
予め判っている基準量は、垂直方向基準値入力・取込手段５１５から入力された後、前記同様に必要に応じて増幅手段を介して、Ａ／Ｄ変換手段５１６によってディジタルデータに変換し、垂直方向第２記憶手段５１７に一時記憶される。
【００７０】
前記第１比較手段５１８は、垂直方向第１記憶手段５１４のディジタルデータと垂直方向第２記憶手段５１７のディジタルデータとを比較する。前記第１判定手段５１９は、前記第１比較手段５１８の比較結果が、ある一定範囲内であると判断した場合、前記試料１６を一定の品質にあると判断し、データＦｃとして、前記演算手段５３２に出力する。水平方向におけるＦｔは、前記と同じく演算手段５３２に入力される。その後、前記演算手段５３２は、前記数１に基づいて演算が行われ、前記出力手段５３３から、前記摩擦力μ、せん断面上での平均せん断応力σs 、平均せん断力τs 等を出力する。
【００７１】
図６は本発明の他の実施例で、ミクロトーム用応力測定装置の構造を説明するための図である。図６に示された実施例は、図３に示されたミクロトーム用応力測定装置の変形例で、応力伝達組立体２３′およびホルダー２５′の形状が異なっている。すなわち、前記応力伝達組立体２３′は、コ字型から構成され、前記コ字型の開口部を上部に向け、前記開口部に垂直方向高感度力変換器組立体２１のセンサ部分が接触している。
【００７２】
前記ホルダー２５′は、図示のような向きのＬ字型から構成され、水平部に垂直方向高感度力変換器組立体２１が設けられている。また、前記ホルダー２５′の垂直部には、水平方向高感度力変換器組立体２２が取り付けられており、前記水平方向高感度力変換器２２のセンサ部が前記コ字型応力伝達組立体２３′の側部に接触している。なお、試料１６は、前記コ字型応力伝達組立体２３′の下部に設けられた固定手段２４２′により固定される。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
以上、本実施例を詳述したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではない。そして、特許請求の範囲に記載された本発明を逸脱することがなければ、種々の設計変更を行なうことが可能である。たとえば、高感度力変換記憶は、公知または周知の力−電気変換手段である、たとえば、水晶、ストレンゲージ、キャパシタンス、マノメータ等や歪みの変位を電気信号に変換するものを使用することができる。
【００７４】
高感度力変換器を取り付けるホルダーおよび応力を検出する応力検出ブロックの形状は、特許請求の範囲に記載された本発明を逸脱することがなければ、設計変更を行うことが可能である。
【００７５】
本発明の実施例における「ミクロトーム」は、「ウルトラミクロトーム」、「計装化ウルトラミクロトーム」を含む。さらに、本発明は、本明細書に具体的に記載された以外の物質にも適用できるとともに、力学的特性を利用するものであれば、前記力学強度、界面密着性強度、表面性状等以外のものを評価できることは言うまでもないことである。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明のミクロトーム用応力測定装置における原理を説明するための図である。
【図２】本発明のミクロトーム用応力測定装置における切削機構を説明するための図である。
【図３】本発明の一実施例で、ミクロトーム用応力測定装置の構造を説明するための図である。（実施例１）
【図４】図３におけるミクロトーム用応力測定装置の左側面図である。
【図５】本発明の実施例で、ミクロトームにおける試料判定装置によりせん断力を演算するためのブロック構成図である。
【図６】本発明の他の実施例で、ミクロトーム用応力測定装置の構造を説明するための図である。（実施例２）
【図７】純アルミニウムを切削した際の切削力と切削中のプロファイルを説明するための図である。
【図８】従来のミクロトーム用応力測定装置の断面図である。
【符号の説明】
【００７７】
１１・・・応力検出ブロック
１１１・・・ネジ孔
１１２・・・上中心面
１１３・・・横中心面
１２・・・逆Ｌ字型ボルダー
１２１・・・垂直方向ネジ孔
１２２・・・水平方向ネジ孔
１２３・・・空隙部
１３・・・垂直方向高感度力変換器
１３１・・・フランジ
１３２・・・ネジ
１３３・・・ネジ孔
１４・・・水平方向高感度力変換器
１４１・・・フランジ
１４２・・・ネジ
１５・・・プリロードネジ
１５１・・・ネジ
１６・・・試料
１６１・・・固定手段
１７・・・ナイフ
２１・・・垂直方向高感度力変換器組立体
２２・・・水平方向高感度力変換器組立体
２３・・・応力伝達組立体
２３１・・・応力検出ブロック
２３２・・・プリロードネジ
２４・・・試料取付組立体
２４１・・・回転機構
２４２・・・固定手段
２５・・・ホルダー
２６・・・ナット
２５１・・・垂直筒状部
２５２・・・水平筒状部
２５３・・・空隙部
３１・・・力点
３２・・・支点
３３・・・作用点
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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